Gustavo Rodriguez Ramirez
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“Ajuste de Modelos de Flujo Multifásico, caso de negocio en la optimización de crudos de la RN” Monterrey, Nuevo Léon 09 de junio de 2016 Gustavo Rodriguez Ramirez
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“Ajuste de Modelos de Flujo Multifásico, caso de
negocio en la optimización de crudos de la RN”
Monterrey, Nuevo Léon 09 de junio de 2016
Gustavo Rodriguez Ramirez
El Transporte de crudo es una parte medular en el proceso integral de extracción de
hidrocarburos, ya que si éste no se diseña o se hace ineficientemente puede provocar
cuellos de botella o bien quedar sobrado a lo largo de las redes de distribución, haciendo
ineficiente el Transporte, Distribución y Comercialización de aceite. Es cierto que durante la
conceptualización de un proyecto las Ingenierías de diseño y operativas deben considerar
todas las variables que se puedan presentar como Pronósticos de Producción de aceite,
gas, condensados, agua; de calidad del crudo como API, Salinidad, % de agua, contenido
de azufre, Presión de vapor Reid, Topografía del terreno, etc., también es cierto que
muchas veces los proyectos sufren modificaciones conforme se vaya actualizando y por
ende se tenga más información del proyecto, por lo tanto se deben de optimizar a las
condiciones finales de operación.
INTRODUCCIÓN
La finalidad u objetivo de este trabajo es mostrar la optimización realizada mediante la
simulación con un programa propio diseñado exprofeso, utilizando las principales
Correlaciones de Flujo Multifásico a los ductos principales de distribución de crudo que
llegan a las Centrales de Almacenamiento y Bombeo para su acondicionamiento final, con
el objeto de acoplarlo a las mejores condiciones de flujo y calidades de los hidrocarburos;
es importante mencionar la versatilidad del modelo diseñado ya que en la Región Norte se
tienen crudos que van desde los 12°hasta los 32 grados API, en este caso el modelo
acoplado de flujo Multifásico fue para ductos de 12” Cacalilao que maneja 12 grados API,
de 16” para crudo Marfo de 24 grados API y crudo Tamaulipas de 17 grados API.
OBJETIVO
Se diseñó un modelo artesanal aplicando las principales correlaciones de flujo multifásico
como Beggs & Brill, Orkisewski, Poetman & Carpenter, y el modelo mecanístico de Ansari, a
ductos de diferentes diámetros, calidades de crudos °API, %w, densidad, viscosidad, etc.,
con el objeto de establecer cual correlación se acoplaba mejor a las condiciones de flujo y
éstas a su vez compararlas con las condiciones reales de bombeo y transporte por ducto y a
partir de ahí hacer los análisis de sensibilidad para optimizar cuáles serían las mejores
condiciones en el transporte y distribución y encontrar las variables de Presiones de bombeo,
de Temperatura de flujo (para el crudo de 12 °API es necesario realizar calentamiento a lo
largo del trayecto de flujo), Gastos óptimos y mejores condiciones de Densidad y Viscosidad
del crudo para su transporte.
METODOLOGÍA
Partiendo de la ecuación general
de energía, en la cual se
involucran a los términos por
aceleración por elevación y por
fricción, se deberá calcular el
diámetro óptimo de tubería que
genere las menores caídas de
presión pero sea suficiente para transportar el gasto requerido.
Donde:
De Darcy, Weisbach y otros
dedujeron la siguiente ecuación
experimental para conductos circulares de diámetro constante:
Donde f es el factor de fricción el
cual es función de la rugosidad de la tubería Ɛ y del NRe
f = f ( Ɛ y NRe )
A su vez el NRe es función de la
densidad y viscosidad del fluído
manejado, definiéndose por:
∆P ∆L
∆P ∆L
∆P ∆L
∆P ∆L
( ( ( ( ) ) ) ) T
= + + ac e f
NRe = dv ρ
µ
∆P ∆L ( )
f =
f ρ
2 gc d
v2
∆P ∆L ( )
f =
f ρ
2 gc d
v2
DESARROLLO
Para calcular f es necesario
determinar el régimen de flujo.
El flujo laminar ocurre
cuando las partículas de fluído se
mueven en líneas rectas paralelas el
eje del conducto.
El flujo turbulento ocurre cunado
las partículas se mueven en forma
caótica formando vórtices y remolinos.
A partir de estas premisas se
estableció que el régimen laminar
ocurre cuando el NRe < 2000 y el
flujo turbulento cuando este parámetro NRe > 4,000.
Para flujo laminar el factor de
fricción f depende exclusivamente
del NRe.
f = f ( Ɛ y NRe )
Para flujo turbulento Blasius y
Drew establecieron las siguientes
ecuaciones respectivamente, la
primera para tuberías lisas, con
rangos que de NRe > 10
y para la segunda rangos de
f = 64
NRe
f = 0.3164 (NRe) -0.25
f = 0.0056 + 0.5 (NRe) -0.32
5
6 3000 < NRe < 10
Para flujo turbulento Nikuradse
establece las siguiente ecuación
para tuberías rugosas
1
f = 2 Log ( d
2 Ɛ ) + 1.74
DESARROLLO
A partir de las ecuaciones anteriores y utilizando la Correlación de BEGGS y BRILL se
diseño un programa para calcular el diámetro óptimo en función de diferentes volúmenes
manejados de producción, considerando las características del crudo, la topografía del
terreno, la longitud del tubo y la relación volumen presión para su diseño.
∆Ρ ftp ρm v2 ρ vm vsg
288 gc d 144 gc
p ∆L
= +
CORRELACION DE BEGGS & BRILL.
Desarrollada para cálculos de caídas de
presión por fricción en tuberías horizontales.
DESARROLLO
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
35 40 45 50 55 60 65 70
DIAMETRO
Escenario nodo 1 a nodo 9
10" 12" 14" 16"
∆𝑷(𝒌𝒈/𝒄𝒎𝟐)
𝒒(𝑴𝒃𝒅)
Perfil Oleoducto 16” x 10.6 km CAB Tajín – CAB PR
Datos
Distancia (km) 10.6
q (Mbd) 35,40,45,50,55,60,65,70
µ (cp) 50 p 0.9053
Ø (pg) 10”,12”,14”,16”
q(𝑀𝑏𝑑)
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
35 40 45 50 55 60 65 70
Escenario nodo 1 a nodo 9
10" 12" 14" 16"
∆𝑃(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
Curvas de simulación Oleoducto 16” x 10.6 km CAB Tajín – CAB PR
0
20
40
60
80
100
120
8 9 10 11 12
DIAMETRO
Escenario nodo 1 a nodo 3
12" 14" 16"
∆𝑃(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
𝒒(𝑴𝒃𝒅) 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
8 9 10 11 12
DIAMETRO
Escenario nodo 3 a nodo 6
12" 14" 16"
𝒒(𝑴𝒃𝒅)
∆𝑷(𝒌𝒈/𝒄𝒎𝟐)
Perfil Oleoducto 12” x 48 km Cacalilao – Refinería Madero
Datos
Distancia (km) 48
q (Mbd) 8,9,10,11,12
µ (cp) 2960
p 0.9861
Ø (pg) 12”,14”,16”
0
20
40
60
80
100
120
8 9 10 11 12
DIAMETRO
Escenario nodo 1 a nodo 5
10" 12" 14" 16"
∆𝑷(𝒌𝒈/𝒄𝒎𝟐)
q(𝑴𝒃𝒅)
Perfil Oleoducto 10” x 29.1 km CAB Tamaulipas – Refinería Madero
Datos
Distancia (km) 29.1
q (Mbd) 8,9,10,11,12 µ (cp) 1630
p 0.9593
Ø (pg) 10”,12”,14”,16”
Tablas de Resultados ∆𝑃(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
CAB Tajin - CAB Poza Rica: Nodo 1 - 9
q (bd) 10" 12" 14" 16"
35,000 7.41 0.94 -1.50 -2.58
40,000 10.25 2.16 -0.91 -2.27
45,000 13.43 3.50 -0.27 -1.92
50,000 16.90 4.92 0.42 -1.55
55,000 20.63 6.49 1.15 -1.15
60,000 24.63 8.17 1.96 -0.72
65,000 28.95 9.95 2.82 -0.28
70,000 33.36 11.85 3.73 0.20
Cacalilao - Refinería Madero: Nodo
1 - 3
q (bd) 12" 14" 16"
8,000 69.60 36.70 20.70
9,000 78.50 41.50 23.50
10,000 87.50 46.30 26.30
11,000 96.40 51.10 29.20
12,000 105.40 56.00 32.00
Cacalilao - Refinería Madero: Nodo
3 - 6
q (bd) 12" 14" 16"
8,000 28.00 15.10 8.80
9,000 31.50 17.00 9.90
10,000 35.00 18.90 11.00
11,000 38.60 20.80 12.10
12,000 42.00 22.70 13.20
CAB Tamaulipas - Refinería Madero: Nodo
1 – 5
q (bd) 10" 12" 14" 16"
8,000 69.88 33.40 17.76 10.17
9,000 78.67 37.64 20.06 11.51
10,000 87.48 41.89 22.35 12.87
11,000 96.30 46.14 24.64 14.21
12,000 105.09 50.39 26.93 15.55
Tablas de Resultados: Cacalilao - Refinería Madero ∆𝑃(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
Cacalilao - Refinería Madero: Nodo
2 - 3
q (bd) 12" 14" 16"
8,000 62.47 34.08 20.30
9,000 70.18 38.24 22.73
10,000 77.89 42.40 25.18
11,000 85.60 46.56 27.61
12,000 93.31 50.72 30.05
Cacalilao - Refinería Madero: Nodo
3 - 6
q (bd) 12" 14" 16"
8,000 28.00 15.10 8.80
9,000 31.50 17.00 9.90
10,000 35.00 18.90 11.00
11,000 38.60 20.80 12.10
12,000 42.00 22.70 13.20
Cacalilao - Refinería Madero: Nodo
1 - 2
q (bd) 12" 14" 16"
8,000 7.13 2.59 0.38
9,000 8.36 3.25 0.77
10,000 9.59 3.92 1.16
11,000 10.82 4.58 1.55
12,000 12.06 5.25 1.94
Casos de negocio
Construcción de Oleoducto
Para Exportación
de mezcla
Pozoleo - Marfo
Caso de negocio
Lamina
de análisis de Laboratorio
Análisis de laboratorio Mezcla
0
20
40
60
80
100
120
140
160
24
26
28
30
32
34
40
45
50
55
60
65
70
DIAMETRO 10" 12" 14" 16" 18"
∆𝑷(𝒌𝒈/𝒄𝒎𝟐)
𝒒(𝑴𝒃𝒅)
Perfil Oleoducto f (Ø) x 65 km Poza Rica – Tuxpan
Datos
Distancia (km) 52
q (Mbd) 24,30,40,50,60,70
µ (cp) 22.26
p 0.8906 ( 27 °API )
Ø (pg) 10”,12”,14”,16”,18”
d (m)
Mezcla %
Pozoleo-Marfo
60 / 40
0
20
40
60
80
100
120
140
160
24
26
28
30
32
34
40
45
50
55
60
65
70
DIAMETRO 10" 12" 14" 16" 18"
∆𝑷(𝒌𝒈/𝒄𝒎𝟐)
𝒒(𝑴𝒃𝒅)
Datos
Distancia (km) 52
q (Mbd) 24,30,40,50,60,70
µ (cp) 26.08
p 0.8936 (26.2 API )
Ø (pg) 10”,12”,14”,16”,18”
d (km)
Mezcla %
Pozoleo-Marfo
50 / 50
Perfil Oleoducto f (Ø) x 65 km Poza Rica – Tuxpan
0
20
40
60
80
100
120
140
160
24
26
28
30
32
34
40
45
50
55
60
65
70
DIAMETRO 10" 12" 14" 16" 18"
∆𝑷(𝒌𝒈/𝒄𝒎𝟐)
𝒒(𝑴𝒃𝒅)
Datos
Distancia (km) 52
q (Mbd) 24,30,40,50,60,70
µ (cp) 31.37
p 0.8962 (25 °API)
Ø (pg) 10”,12”,14”,16”,18”
d (km)
Mezcla %
Pozoleo-Marfo
40 / 60
Perfil Oleoducto f (Ø) x 65 km Poza Rica – Tuxpan
MEZCLA RELACION
(%)
DENSIDAD RELATIVA
(adim) °API
GASTO (Mbd)
DIAMETRO (pg) ∆𝑷(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
Pozoleo/Marfo 60/40 0.8906 27.0 70
12” 56
14” 24
16” 3
MEZCLA RELACION
(%)
DENSIDAD RELATIVA
(adim) °API (Mbd) DIAMETRO (pg) ∆𝑷(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
Pozoleo/Marfo 50/50 0.8936 26.2 70
12” 58
14” 25
16” 4
MEZCLA RELACION
(%)
DENSIDAD RELATIVA
(adim) °API (Mbd) DIAMETRO (pg) ∆𝑷(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
Pozoleo/Marfo 40/60 0.8962 25.7 70
12” 62
14” 26
16” 4
Tabla de resultados de Oleoducto f (Ø) x 65 km
Poza Rica – Tuxpan
MEZCLA GASTO (Mbd)
DIAMETRO (pg)
MM dlls MM$
Pozoleo/Marfo 70
12” 77.6 1,318
14” 90.5 1,538
16” 103.4 1,758
Cálculos realizados de acuerdo a indicador Internacional
200 Mdlls / pg-milla
abril 2015
Costos de Oleoducto f (Ø) x 65 km Poza Rica – Tuxpan
Construcción
Oleoducto
CAB Cacalilao – Ref. Madero
Caso de negocio
CAB Cacalilao
Est. Calentamiento Palomas 10
Est. Calentamiento Chila 20
Est. Calentamiento Y Rebombeo
Matillas
Est. Calentamiento Anáhuac
Refinería Madero
Est. Calentamiento 3
Est. Calentamiento 4
Est. Calentamiento 5
Est. Calentamiento 2
Exportación
NUEVO OLEODUCTO CACALILAO – REFINERÍA MADERO 12”Ø X 64 KM
Imagen: Proyectos de GTDHRN
0
20
40
60
80
100
120
8 9 10 11 12
DIAMETRO
Escenario nodo 1 a nodo 3
12" 14" 16"
∆𝑃(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
q(𝑀𝑏𝑑)
0
10
20
30
40
50
8 9 10 11 12
DIAMETRO
Escenario nodo 3 a nodo 6
12" 14" 16"
q(𝑀𝑏𝑑)
∆𝑃(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
Perfil Oleoducto 12” x 48 km Cacalilao – Refinería Madero
Datos
Distancia (km) 48
q (Mbd) 8,9,10,11,12
µ (cp) 2960
p 0.9861
Ø (pg) 12”,14”,16”
d (m)
MEZCLA GASTO (Mbd)
DIAMETRO (pg)
MM dlls MM$
Ébano-Pánuco- Cacalilao 16-18
14” 111.4 1,893
16” 127.3 2,164
18” 143.2 2,434
Costos de oleoducto x 64 km CAB Cacalilao – Refinería Madero
Cálculos realizados de acuerdo a indicador Internacional
200 Mdlls / pg-milla
abril 2015
Construcción
Oleoducto
CAB Tamaulipas – Ref. Madero
Caso de negocio
0
10
20
30
40
50
60
70
8 9 10 11 12
DIAMETRO 10" 12" 14" 16"
∆𝑷(𝒌𝒈/𝒄𝒎𝟐)
q(𝑀𝑏𝑑)
Perfil Oleoducto 10” x 29.1 km CAB Tamaulipas – Refinería Madero
Datos
Distancia (km) 29.1
q (Mbd) 8,9,10,11,12
µ (cp) 1000
p 0.9593 ( 16 °API )
Ø (pg) 10”,12”,14”,16”
d (km)
0
20
40
60
80
100
120
10 12 14 16 18
DIAMETRO
10" 12" 14" 16"
∆𝑃(𝑘𝑔/𝑐𝑚2)
q(𝑀𝑏𝑑)
MEZCLA GASTO (Mbd)
DIAMETRO (pg)
MM dlls MM$
Tamaulipas 16-18
10” 36.0 612
12” 43.2 735
14” 50.5 858
16” 57.7 981
Costos de oleoducto x 29 km CAB Tamaulipas – Refinería Madero
Cálculos realizados de acuerdo a indicador Internacional
200 Mdlls / pg-milla
abril 2015
_ El modelo desarrollado puede extenderse para cualquier diámetro de tubería y calidad
del crudo mayores a los 20 °API (crudo Marfo y Pozoleo), hasta los 31 °API (crudo
Papaloapan).
_ El modelo a medida que aumenta la densidad del crudo, tiene una mayor desviación
respecto a las condiciones reales, como es el caso del crudo tipo Cacalilao de 12°API.
_ Una vez acoplado el modelo, se pueden optimizar las condiciones de flujo para tener las
mejores condiciones de transporte por ducto.
_ Con el modelo y un análisis de sensibilidad, es posible maximizar las mejores
condiciones de flujo.
_ Aplicando el modelo se pueden lograr mejores condiciones operativas alargando la
vida útil de los equipos y ductos.
CONCLUSIONES
